高校地学 鉱物と岩石—粒と集合体の違いを観察記録から説明して分類の根拠をつかむ｜武蔵野個別指導塾

方解石の粒と集合体の観察から、根拠を確かめて区別したいのが鉱物と岩石です。

よくあるのは、高校生が標本の記録欄に石英と花こう岩を並べ、どちらも同じ種類の名前として覚えようとする場面です。標本の中に見える粒の名前と、粒が集まった標本全体の名前は、何を指しているのでしょうか。1種類の鉱物からなる岩石なら、その区別は消えるのでしょうか。記録の対象を指で示すように、観察の大きさを切り替えて考えます。

記録欄で何を分けるか

問題では、まず観察した対象を問われます。粒の性質を記した欄には鉱物名、粒の組合せや並びを記した欄には岩石名を入れます。次に、複数の粒を見た記録から、構成物質とその配置を分けて書きます。最後に、観察が足りないときは、名前を断定せず、追加したい観察を述べます。

例えば、花こう岩に含まれる石英と長石は鉱物、花こう岩は岩石です。石英という名は粒の種類を、花こう岩という名は岩石全体の種類を示します。ただし、岩石の表面に白い部分が見えたことだけでは石英とは決められません。分類の答えには、名前とともに、その名前を支える情報を書きます。

単一鉱物からなる岩石もあります。鉱物の種類が1つであっても、多くの結晶が集まった岩石として、結晶の大きさや接し方を記録できます。逆に、多数の粒が見えれば必ず複数種の鉱物だとも限りません。粒の数と鉱物の種類の数を別々に数えることが、読み違いを防ぎます。

粒の性質と全体の組織をつなぐ

鉱物は、一般に自然にできた一定の化学組成と規則的な内部構造をもつ物質です。組成には一定の範囲で変化するものもあります。結晶内部では原子などが規則的に配列していますが、外側にきれいな結晶面が見えるとは限りません。成長中に周囲の粒とぶつかれば、外形が制約されるためです。粒の形が不規則でも、直ちに鉱物でないとはいえません。

岩石は、鉱物などが集まってできた自然の固体です。多くは複数の鉱物を含みますが、主として1種類の鉱物からなる岩石もあります。また、火山ガラスのように結晶になっていない物質を含む岩石もあります。したがって、岩石を「必ず異なる鉱物が複数集まったもの」と定義すると、これらを取りこぼします。

図1のように、粒を対象にするときは種類や性質を、標本全体を対象にするときは構成物と組織を見ます。図の色は粒の種類を区別するための模式色で、実物の色を表していません。粒の色が同じという絵だけから、現実の標本の鉱物名を決めることはできません。

組織とは、構成する粒や結晶の大きさ、形、配列、互いの接し方などの特徴です。化学組成は何の物質がどれほど含まれるかを示す軸であり、組織とは別です。同じ鉱物の組合せでも粒の大きさや並びが違うことがあり、似た大きさの粒が並んでいても鉱物の組合せは異なりえます。組織を見ただけで化学組成を一意に決めることはできません。

岩石の記録では、粒の境界が見えるか、見える粒の大きさに差があるか、粒が特定の方向に並ぶかを、観察した範囲と一緒に書きます。肉眼で粒が見えないことは、粒が存在しない証拠ではありません。観察できる大きさより細かい可能性があるため、拡大した観察が必要です。標本の一部が風化していれば、新鮮な部分と分けて記録します。

鉱物を調べる際は、色に加えて光沢、割れ方、相対的な硬さなどを組み合わせます。色は不純物や表面の変化でも変わりうるので、単独では同定の根拠として弱いからです。平らな面も、結晶の成長面なのか、一定方向に割れた面なのかを区別します。標本を勝手に割る必要はなく、学校の指導の下で用意された試料や記録を比べます。

例えば、方解石は鉱物名です。方解石を主とする石灰岩は岩石名で、その中には複数の方解石粒や生物に由来する構造が認められるものもあります。石灰岩が再結晶した結晶質石灰岩では、互いに接する方解石の結晶が見られることがあります。いずれも岩石全体の名前と構成鉱物の名前を同じ欄に置かず、どの範囲を観察したかを添えます。石灰岩や結晶質石灰岩には、方解石以外の物質を含むものもあります。

基本例題：標本の中と全体を記録する

次の表は、自作の観察資料です。検査によって粒の種類は確定したものとし、模式色は実物の色を示しません。標本Aについて、鉱物名をすべて挙げ、岩石名と、岩石の組織として記録できることを1つ答えてください。粒の数は図に描いた部分についての条件であり、標本全体の割合を表しません。

図2のように、模式図の部分には石英が3粒、長石が2粒あります。図は関係を示すために粒を区切ったもので、実物の粒の外形や色を再現した写真ではありません。

まず、表の「粒の種類」を読むと、石英と長石です。次に、「標本全体の名前」は花こう岩です。粒が互いに接して見えることは、岩石の組織として記録できます。粒が2種類あることは構成鉱物の情報で、粒どうしが接することは配置の情報です。この2つを別に書くと、どの観察から答えたかが伝わります。

答えを条件へ戻します。図の石英3粒と長石2粒は、答えた2種類にそれぞれ含まれ、合計5粒に漏れはありません。表は花こう岩という全体名を与えていますが、示された粒の数だけから花こう岩と同定したわけではありません。実際の分類には、見えていない部分も含めた構成鉱物や組織の情報が必要です。

標準例題：1種類でも岩石になれるか

自作資料の標本Bでは、観察した部分に方解石の結晶が8個あり、互いに接しています。別の検査でこの部分は方解石のみからなると確かめられ、標本全体は結晶質石灰岩と記録されています。鉱物の種類数、結晶の個数、岩石名を答え、「鉱物が1種類だから岩石ではない」という意見を根拠つきで直してください。個数はこの部分で数えた値です。

鉱物の種類は方解石の1種類、結晶は8個、岩石名は結晶質石灰岩です。種類数と個数は数える対象が違います。結晶の1個ずつは同じ種類の鉱物でも、集まった標本には結晶の大きさや接し方という全体の特徴があります。よって、1種類からなることは岩石であることと矛盾しません。

答えを元の条件に戻すと、8個の結晶はすべて方解石で、種類数は1のままです。別の言い方なら、「構成物の種類」と「標本全体の呼び名」を分けて説明しても同じ根拠になります。8個を8種類と数えると、方解石のみという条件と一致しません。なお、現実の標本で方解石のみと判断するには、見えない微粒子も含めた検査の範囲を確かめる必要があります。

発展例題：観察が足りない場合を設計する

自作資料の標本CとDについて、同じ倍率で撮影した面の記録を比べます。Cは透明に見える粒が複数あり、粒どうしの境界が見えます。Dも透明に見える粒が複数あり、境界が見えます。どちらの鉱物名も未検査です。「CとDは同じ鉱物からなる同じ岩石だ」という結論が出せるか答え、追加観察を2つ提案してください。

結論は出せません。透明に見えることと境界が見えることは両方の標本に共通しますが、鉱物の同定にも、岩石全体の分類にも十分な条件ではありません。CとDに同じ鉱物が含まれる場合も、異なる鉱物が透明に見える場合も、与えられた記録と両立します。境界が見えるという組織上の共通点も、構成物の同一性を保証しません。

追加観察として、各粒の割れ方や光沢を同じ条件で調べることと、標本の別の面を同じ倍率で見て粒の種類と配列の偏りを記録することが考えられます。必要に応じて薄片の顕微鏡観察などを学校の指導の下で行い、複数の性質を照合します。それでも候補が複数残るなら「候補を絞れたが未確定」と書き、追加資料を求めます。実験や観察が思うように進まない場合も、得られた証拠と欠けた証拠を分けることが答えになります。

観察の設計では、同じ倍率、照明、観察面の状態をそろえます。片方だけ風化面なら、表面の変化を鉱物本来の性質と誤認するかもしれません。境界が不鮮明なところは数え方を決め、別の観察者の記録とも比べます。小さい範囲だけを数えると珍しい粒を見逃しやすく、薄片の断面は粒の立体形をそのまま示すものでもありません。標本の複数箇所を観察し、範囲と不確かさを記録します。

粒の大きさの分布をグラフにするなら、横軸に観察した粒の大きさの区間、縦軸にその区間に入った粒数を取ります。高い棒はその区間の粒が多いことを示しますが、棒の高さだけで鉱物の種類や標本の化学組成は決まりません。見えない細粒や境界の数え違いがあると分布は変わります。異なる標本を比較するときは倍率や区間の区切り、数えた範囲をそろえ、総数が違う場合には割合も併記します。割合は各区間の粒数を総粒数で割って求め、合計が全体に戻るか確かめます。

誤答を直す：粒の数は種類の数ではない

「粒がたくさんあるから、いろいろな鉱物からなる岩石だ」という答えは、結晶の個数を鉱物の種類数に置き換えています。図3のように、同じ種類の粒が複数集まることもあります。図中の色は種類を区別する模式色で、実物の色ではありません。図の条件で同じ印がついた粒は同じ種類と扱いますが、実際には色や形だけで同定できません。

この誤答を直すには、まず個々の粒の性質を調べ、次に同じ種類と判定された粒をまとめます。粒の個数は標本のどの範囲を数えたかで変わり、鉱物の種類数は判定できる範囲に依存します。どちらか一方を答えるときも、何を数えた数かを添えます。

もう1つの誤りは、「同じ鉱物を含むので同じ岩石だ」という判断です。共通の鉱物があっても、ほかの構成物や粒の組織は異なりえます。鉱物が共通するという証拠を認めつつ、岩石名の決定に必要な残りの情報を求めるのが修正です。観察条件が不足しているときに名前を保留することは、根拠のない分類を避ける適切な答えです。

練習：記録から判断する5問

以下は自作の条件です。数は各問題の観察範囲で数えた値とし、実際の岩石の一般的な割合を表しません。

1. 標本Eの観察部分には、種類の確定した石英が4粒、黒雲母が3粒あります。粒の総数と鉱物の種類数をそれぞれ整数で答えてください。
2. 標本Fは検査した範囲の6粒がすべて方解石で、その全体は岩石と判定されています。「1種類なので岩石ではない」という記述を、粒と集合体の区別を使って直してください。
3. 標本GとHはいずれも灰色に見えます。Gには粒の境界が見え、Hは肉眼では境界が見えません。色だけから両者が同じ鉱物でできていると断定できるか、理由とともに答えてください。
4. 標本Jの同じ倍率の画像で、観察できた12粒を大きさの区間に分けると、小さい区間が9粒、大きい区間が3粒でした。小さい区間の粒の割合を分数で答え、この資料から鉱物名まで決められるか述べてください。
5. 標本KとLの一部は、どちらも同じ鉱物Pからなると検査で確かめられました。Kの粒はほぼ同じ大きさ、Lには大きな粒と細かい部分があります。共通する情報と異なる情報をそれぞれ挙げ、この情報だけで全体の岩石名が同じか決められるか答えてください。

練習の答えと確かめ方

1. 総数は7粒、種類数は2種類です。4 + 3 = 7で、石英と黒雲母がそれぞれ1種類です。7粒を元の内訳に戻すと4粒と3粒になり、別々の2種類という条件にも合います。7種類とすると、同じ鉱物の粒を別種として数えてしまいます。

2. 方解石は粒を構成する鉱物の名前で、岩石はその粒などからなる全体の名前です。6粒が同じ方解石でも、それらの集合体が岩石であることと両立します。答えを戻すと、6個の粒を6種類と扱わず、観察範囲の種類数は1のままです。ほかの部分の構成は問題から決められません。

3. 断定できません。灰色という外見だけでは鉱物の種類を決められず、肉眼で境界が見えないことも粒の不在を意味しません。GとHが同じ鉱物を含む場合も、異なる鉱物を含む場合も、両方の記録と矛盾しません。拡大観察や粒ごとの複数の性質を比べて候補を絞ります。

4. 割合は(9)/(12)を約分して(3)/(4)です。(3)/(4)を12粒に戻すと9粒で、残る(1)/(4)は3粒です。合計12粒と条件に一致します。大きさの分布は組織の情報であり、鉱物名を決めるには性質や組成などの追加情報が必要です。見えない粒をこの割合に含めたと考えることもできません。

5. 共通するのは検査した部分に鉱物Pがあること、異なるのは粒の大きさの分布です。大きさは組織の情報で、同じ構成鉱物を含むことと組織が違うことは両立します。ほかの部分の構成や組織は与えられていないので、岩石全体の名前が同じかは決められません。KとLが同じ岩石名となる場合と異なる場合のどちらも、示された観察部分の条件に戻して矛盾しないからです。

記録の手がかり

• 鉱物名は物質の種類、岩石名は集合体の種類を指します。
• 粒の個数と鉱物の種類数は別々に数えます。
• 構成物の情報と、粒の大きさや配列という組織を分けます。
• 色だけで同定せず、観察範囲と不足する証拠を示します。

つまずきを観察で見分ける

個別指導で記録を確かめるときは、まず答案中の名前が1粒を指すのか標本全体を指すのか、図に印をつけてもらいます。次に、種類数を求める場面では同種の粒をまとめたかを確かめ、割合を求める場面では分母が観察した総数になっているかを見ます。答えを元の表へ戻し、どの行が根拠で、どこから先が推定なのかを説明できれば、暗記した名前を観察の言葉につなげられます。

迷いが残るときは、追加したい観察と、それで区別できる候補を対にして書きます。粒を見た記録と岩石全体を見た記録は、異なる問いに答える証拠です。